化學氣相沉積法制備SiBCN界面相的工藝與結構研究.pdf

1、SiCf/SiC復合材料由SiC纖維增強體，SiC基體和它們之間的界面相組成，其中界面相是 SiCf/SiC復合材料的重要組成部分。常用的SiCf/SiC復合材料的界面相材料有熱解炭（PyC）和氮化硼（BN），當SiCf/SiC復合材料作為高溫吸波材料時，由于PyC是電磁波的強反射體，不能滿足雷達吸波材料的要求；而BN具有低的介電常數(shù)和介電損耗，適合用于SiCf/SiC高溫雷達吸波材料，但是BN在高溫下的抗氧化性略顯不足。研究表明，在B

2、N中引入Si、C元素可以提高其抗氧化性和抗水解性?；诖耍疚牟捎肧iBCN陶瓷作為SiCf/SiC復合材料的界面相，開展了制備工藝、微觀結構和對復合材料性能的影響等相關研究。
　　以硼吖嗪（BZ）-液態(tài)聚碳硅烷（LPCS）-氬氣（Ar）為反應體系，利用化學氣相沉積法（CVD）制備SiBCN陶瓷。研究了沉積溫度對SiBCN涂層的沉積過程、形貌、物相組成、元素含量及成鍵狀態(tài)的影響。實驗發(fā)現(xiàn)，在600℃~900℃，涂層沉積速率隨溫度的

3、升高而增加，并在900℃達到最大值，活化能約為89.8kJ/mol；在900℃~1100℃，隨著溫度的進一升高，涂層沉積速率下降。組成分析表明，當沉積溫度低于800℃時，由于先驅體裂解不完全，涂層中會存在殘余的C-H、B-H、N-H和Si-H鍵，900℃以上則得到完全無機化的非晶態(tài)SiBCN陶瓷，含有Si-N鍵、B-N鍵、Si-C鍵和C-C鍵。微觀形貌分析表明，600℃~700℃沉積的涂層呈島狀分布，排列疏松；800℃~900℃沉積的涂

4、層光滑均勻；900℃以上沉積的涂層顆粒之間沒有緊密結合，粒徑不一。
　　研究了沉積壓強對沉積涂層的影響。結果表明，當沉積壓強較低時（1kPa~2kPa），由于異相形核機制是涂層生長的主要方式，能夠得到比較致密的涂層；當沉積壓強較高時（3kPa~4kPa），均相形核機制起主導作用，沉積得到的涂層表面較為疏松粗糙。
　　研究了反應氣源總流量對沉積涂層影響。結果表明：在小流量區(qū)間內(nèi)（10sccm~15sccm），隨著流量的增加，沉

5、積速率增加。當流量達到15sccm，沉積速率達到最大值，此時涂層呈“鵝卵石”結構。進一步增加流量，由于氣相成核反應加劇，沉積速率顯著下降，且沉積的涂層變得疏松多孔，呈粉體狀。
　　研究了BZ/LPCS比對沉積涂層的影響。結果表明，隨著BZ/LPCS比例的增大，涂層中Si、C元素含量逐漸減少，對涂層形貌、沉積速率無顯著變化。
　　綜上所述，通過實驗得到優(yōu)化的沉積工藝條件是：沉積溫度900℃~1100℃，系統(tǒng)壓強2kPa，反應氣

6、源總流量10sccm~15sccm，BZ/LPCS比10：1。
　　考察了SiBCN涂層對SiC纖維拉伸強度和電阻率的影響，結果表明，經(jīng)涂層處理前后纖維的拉伸強度下降，電阻率基本保持不變。在1000℃靜態(tài)空氣中氧化1h，結果顯示，經(jīng)涂層處理后，SiC纖維的抗氧化性能得到提高，且在涂層厚度為1000nm時纖維的強度保留率最高，達到89.6％。
　　以SiCf/SiBCN/SiC復合材料為研究對象，研究了SiBCN界面相對復合材

7、料的力學、抗氧化性以及介電性能的影響規(guī)律，結果表明：（1）與無SiBCN界面相的SiCf/SiC復合材料的彎曲強度（60.4MPa）相比，含SiBCN界面相的SiCf/SiC復合材料的彎曲強度（86.4MPa~126.1MPa）提高了43.01%~108.72%；（2）SiBCN界面相的引入顯著提高了SiCf/SiC復合材料的抗氧化性能，且SiBCN界面相對復合材料的抗氧化性能的改善優(yōu)于BN界面相。經(jīng)1000℃空氣靜態(tài)氧化1h，無界面相